Ingenieure der Lehigh University passen Techniken der menschlichen Gewebezüchtung an, um Fleisch im Labor "wachsen" zu lassen

Das vom Good Food Institute geförderte Projekt bringt Experten für kolloidale und polymere Gelgerüste, Nanomaterialien, Elektrochemie und liposomale Transportmittel zusammen

07.12.2021 - USA

"Ich sage scherzhaft, dass wir ein Hühner-Nugget züchten werden", sagt Steve McIntosh, Professor und Vorsitzender der Abteilung für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Lehigh University.

Lehigh University

Ein Team von Forschern der Lehigh University aus dem Bereich Chemie- und Biomolekulartechnik wird Techniken der menschlichen Gewebezüchtung anpassen, um Fleisch im Labor "wachsen" zu lassen. Von links: Kelly Schultz, außerordentliche Professorin; Steven McIntosh, Professor und Lehrstuhlinhaber; Angela Brown, außerordentliche Professorin; und Mark A. Snyder, außerordentlicher Professor.

Der Gedanke ist zwar witzig, aber die Idee, Proteine im Labor zu züchten, ist eine ernste Angelegenheit. Laut einer kürzlich in Nature Food veröffentlichten Studie ist die Fleischproduktion für 57 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich.

Zu den vielen Initiativen, die sich mit Alternativen zur Produktion und zum Verzehr von Tieren befassen, gehört auch die Kulturfleischindustrie, die Zellkulturen von Tieren verwendet, um Proteine zu züchten. (Es handelt sich um echtes Protein, nicht um das von Beyond oder Impossible.)

"Das Problem bei kultiviertem Fleisch ist, dass es nicht möglich ist, so genannte 'ganze Stücke' herzustellen, die die richtige Textur haben und nicht super teuer sind", sagt Kelly Schultz, außerordentliche Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik (ChBE).

Schultz und McIntosh gehören zu einem Team des P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science der Lehigh University, das kürzlich vom Good Food Institute, einer internationalen gemeinnützigen Organisation, die sich mit der Neugestaltung der Fleischproduktion befasst, einen Zuschuss in Höhe von 250.000 Dollar erhalten hat, um dieses Problem zu lösen. Der Gruppe gehören auch die ChBE-Professoren Angela Brown und Mark Snyder an.

"Wir haben alle vier eine Ausbildung als Chemieingenieure, aber unsere Forschungsgebiete sind sehr unterschiedlich", sagt Brown. "Auch wenn es auf dem Papier nicht sehr interdisziplinär aussieht, ist es das in Wirklichkeit.

Eine solche Vielfalt an Fähigkeiten - gepaart mit der Perspektive eines Außenstehenden - ist notwendig, um ein komplexes, zweifaches Problem zu lösen.

Je größer das Stück Fleisch ist, das gezüchtet wird, desto schwieriger ist es, die Zellen in der Mitte mit ausreichend Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Und wenn sie beides nicht mehr bekommen, sterben sie. ("Ich nehme an, dass Ihnen vom Verzehr dieses Stücks übel werden würde", sagt Schultz.) Zweitens müssen die Muskelzellen angeregt werden, im richtigen Organisationsmuster zu wachsen. Dieses Muster sorgt für die Textur und das befriedigende Mundgefühl, das uns sagt, dass wir ein Steak, einen Hamburger oder ein Chicken Nugget essen.

Schultz ist die Hauptforscherin in diesem Projekt. Von den vier Forschern ist ihre Arbeit vielleicht am ehesten mit dem Ziel des Projekts vereinbar. Ihr Labor erforscht die Charakterisierung von kolloidalen und polymeren Gelgerüsten, die für das Human Tissue Engineering verwendet werden können.

Schultz wird gemeinsam mit Synder ein Gerüst entwickeln, auf dem die Fleischzellen wachsen können, und die Struktur, die sie verwenden werden, ist dieselbe, die sie für die Wundheilung beim Menschen einsetzt. Im Moment ist es jedoch noch nicht steif genug.

"Wenn man Zellen in das Gerüst einbringt, muss man ihnen die richtige physikalische Umgebung bieten", sagt sie. "Man muss dafür sorgen, dass sich die Umgebung wie ein Muskel anfühlt, damit die Zellen Muskelzellen bleiben und mehr von ihnen gebildet werden.

Um diese richtige Steifigkeit zu erreichen, wird Snyder, deren Arbeit sich auf das Design von Nanomaterialien für Anwendungen in Bereichen von Energie bis hin zur Bildgebung konzentriert, Nanopartikel synthetisieren und funktionalisieren, um die Eigenschaften der Gelstruktur im Wesentlichen einzustellen.

"Die Idee ist, die Eigenschaften durch mechanische oder chemische Reize zu steuern, die diese Stammzellen dazu bringen, sich in Fleischzellen zu differenzieren", sagt Snyder. "Aber wir müssen auch darüber nachdenken, wie sich die Gelstruktur rekonstruieren und an die wachsenden Zellen anpassen kann. Die Anpassungsfähigkeit des Gels ist also ein weiterer Aspekt. Und wir denken darüber nach, wie wir dieses Nanokomposit-Gel nutzen können, um die wachsende Zellstruktur dazu zu bringen, sich in einer faserigeren Weise zu bilden.

McIntosh wird sein Fachwissen in der Elektrochemie einsetzen, um dieses faserige Wachstum weiter zu fördern.

"Mein anderer Witz ist, dass ich hier bin, um das Chicken Nugget zu trainieren", sagt er. "Wir werden ein Trainingsprogramm für dieses Ding entwickeln, indem wir herausfinden, welche Bioelektrochemie erforderlich ist, um die Bildung dieses Muskelgewebes zu steuern."

Das liegt daran, dass Muskeln wachsen, indem sie sich ständig beugen und erholen, eine Funktion des Nervensystems des Körpers, das ein elektrisches System ist. McIntosh zitiert Forschungsergebnisse, die die Wirkung eines elektrischen Feldes auf Muskelzellen zeigen.

"Es stellt chemische Gradienten in den Zellen her, die die Zellen dazu bringen, Fasern zu bilden", sagt er.

Ohne eine ständige Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff kann sich jedoch nichts bilden. Und hier kommt Brown ins Spiel.

Brown untersucht Lipid-Protein-Wechselwirkungen, die bei bakteriellen Krankheiten eine Rolle spielen. Für dieses Projekt wird sie liposomale Transportmittel entwickeln.

"Lipide sind das, woraus Zellmembranen bestehen", sagt sie, "und sie sind gut, weil man in ihnen Dinge einkapseln kann."

Sie wird zwei solcher Moleküle entwickeln: Eines wird Glukose liefern, das andere Sauerstoff.

"Wir werden diese Liposomen an das Gerüst binden, an dem Kelly und Mark arbeiten", sagt sie. "Während die Zellen auf dem Gerüst wachsen, sollten [die Moleküle] diese Nährstoffe an die Zellen abgeben, damit sie weiter wachsen können und nicht absterben."

Das ultimative Ziel des Teams ist es, eine skalierbare Plattform für die Produktion von "ganzem Fleisch" zu schaffen, die für eine Reihe von Proteinprodukten angepasst werden könnte, die eines Tages in Supermärkten erhältlich sein werden. Sie wissen, dass das noch ein weiter Weg ist. Aber in der Zwischenzeit besteht das Potenzial, zahlreiche grundlegende Fragen in Bereichen zu beantworten, die über ihre individuellen Forschungsaktivitäten hinausgehen.

"Wenn man gemeinsame Projekte wie dieses auf die Beine stellt, kann man Dinge tun, die keiner von uns allein tun könnte", sagt McIntosh. "Und es ist einfach intellektuell sehr anregend, mit Leuten zusammenzuarbeiten, die sehr unterschiedlich denken und sehr unterschiedliche Forschungsansätze haben. Wir alle werden unser Wissen in völlig unterschiedliche Richtungen vorantreiben. Es gibt nichts Motivierenderes als das."

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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